§ 139. Естественная радиоактивность. Альфа-, бета- и гамма-лучи. Законы радиоактивного распада

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским физиком Беккерелем, обнаружившим, что соли урана испускают невидимые лучи, способные вызывать люминесценцию, проникать через слои непрозрачных веществ, ионизировать газы, вызывать почернение фотографической пластинки. Дальнейшие исследования, проведенные Я. Кюри и М. Кюри-Склодовской, Резерфордом и другими учеными, показали, что естественная радиоактивность свойственна не только урану, но и многим тяжелым химическим элементам, в частности актинию, торию, полонию и радию (два последних элемента были открыты в 1898 г. Пьером и Марией Кюри). Все эти элементы были названы радиоактивными элементами, а испускаемые ими лучи — радиоактивными лучами (радиоактивным излучением).

Рис. 376

По своему составу радиоактивное излучение является сложным: в него входят три различных вида излучения, получивших названия альфа-лучей, бета-лучей и гамма-лучей. Познакомимся с природой и основными свойствами этих лучей.

1. Альфа-лучи отклоняются электрическим и магнитным полями; представляют собой поток атомных ядер гелия называемых -частицами (см. рис. 375). На рис. 376 изображено отклонение -частиц магнитным полем (силовые линии поля, перпендикулярные плоскости рисунка, направлены на читателя и показаны точками). Каждая -частица несет два элементарных положительных заряда и обладает массовым числом 4. Альфа-частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от до что соответствует кинетическим энергиям от 4 до 9 МэВ.

Пролетая через вещество, -частица ионизирует его атомы, действуя на них своим электрическим полем («выбивает» электроны из атомов вещества), Израсходовав энергию на ионизацию атомов, -частица останавливается; при этом она захватывает два электрона (из имеющихся в веществе свободных электронов) и превращается в атом гелия.

Путь, проходимый -частицей в веществе остановки), называется ее пробегом, или проникающей способностью, а число пар ионов, создаваемых -частицей на пробете, называется ее ионизирующей способностью. Очевидно, чем больше ионизирующая способность частицы, тем меньше ее пробег.

Пробег -частиц в воздухе (при нормальном давлении) составляет 3—9 см, а их ионизирующая способность равна пар ионов (в среднем пар ионов на 1 см пробега). Таким образом, -частицы обладают высокой ионизирующей способностью, но небольшой проникающей способностью.

Альфа-лучи полностью псглощаются, например, слоем алюминия толщиной или слоем биологической ткани толщиной

2. Бета-лучи отклоняются электрическим и магнитным полями; представляют собой поток быстрых электронов, называемых -частицами. Масса их в 7350 раз меньше массы -частицы. Средняя скорость -частиц составляет около На рис. 376 показано отклонение -частиц магнитным полем

В отличие от -излучения -излучение имеет сплошной энергетический спектр, т. е. содержит -частицы со всевозможными значениями энергии (или, что то же, всевозможными значениями скорости). Ядра одного и того же радиоактивного элемента выбрасывают -частицы и со скоростью, близкой к нулю, и со скоростью, близкой к скорости света. Энергия -частиц лежит в пределах от сотых долей до нескольких

Поскольку -частица имеет весьма малую массу, большую (в среднем) скорость и несет только один элементарный заряд, ее ионизирующая способность значительно — в среднем в 100 раз меньше, а пробег во столько же раз больше, чем -частицы. Пробег -частиц (высокой энергии) достигает в воздухе в алюминии — 2 см, в биологической ткани — 6 см.

Экспериментально установлено, что атомные ядра одного и того же радиоактивного элемента теряют при -распаде вполне определенное, одинаковое количество энергии. Поэтому все -частицы, испускаемые данным элементом, должны были бы обладать одинаковой энергией. Между тем, как уже отмечалось, -излучение характеризуется сплошным энергетическим спектром, что также было установлено экспериментально. Таким образом, энергия, уносимая -частицами из ядер, оказывается меньше энергии, испускаемой ядрами при -распаде. Этот экспериментальный факт не согласуется с законом сохранения энергии. В связи с этим Паули высказал в 1931 г. гипотезу о том, что при каждом акте -распада вместе с -частицей из ядра выбрасывается еще одна крайне легкая, незаряженная частица,

названная впоследствии нейтрино. Нейтрино и -частица совместно уносят из ядра всегда одно и то же количество энергии. Но в различных актах -распада эта энергия распределяется между нейтрино и -частицей по-разному (случайно), чем и объясняется сплошной характер энергетического спектра -излучения.

3. Гамма-лучи представляют собой поток фотонов, имеющих очень высокую частоту — порядка Гц, что соответствует очень короткой длине волны — порядка Энергия -фотонов имеет порядок

Являясь крайне жестким электромагнитным излучением, -лучи во многом подобны характеристическим рентгеновским лучам. Они не отклоняются электрическим и магнитным полями (см. рис. 376), распространяются со скоростью света, при прохождении через кристаллы обнаруживают дифракцию. Но в отличие от рентгеновских лучей, лучи испускаются атомным ядром (при его переходе из возбужденного состояния в нормальное).

Поглощение -лучей в веществе обусловлено в основном тремя процессами: фотоэффектом (см. § 136), эффектом Комптона (см. § 137) и образованием электронно-позитронных пар. Последний процесс (детально изученный в французским физиком Жолио) состоит в том, что -фотон, обладающий энергией пролетая вблизи атомного ядра, может (под влиянием ядерного поля) превратиться в пару элементарных частиц — электрон и позитрон — и прекратить свое существование (позитрон имеет массу, равную массе электрона, и несет положительный элементарный заряд; обозначается буквой или Ионизирующая способность -лучей невелика; в воздухе она имеет порядок 100 пар ионов (в среднем 1—2 пары ионов на 1 см «пробега»).

Гамма-лучи являются одним из самых проникающих излучений. Наиболее жесткие -лучи проходят через слой свинца толщиной 5 см или через слой воздуха толщиной в несколько сотен метров; тело человека они пронизывают насквозь.

Подчеркнем, что радиоактивное излучение испускается атомными ядрами, а не их электронными оболочками. Для -излучения это очевидно, поскольку электронная оболочка не содержит протонов и нейтронов (образующих -частицу); для -излучения это следует из того факта, что оно не зависит (не изменяется) от каких бы то ни было воздействий на электронные оболочки радиоактивных атомов. Бета-частицы не входят в состав ядра, но возникают в нем в процессе ядерного распада (благодаря превращениям нейтронов в протоны; см. § 141). И а- и -распады обычно сопровождаются -излучением.

Очевидно, что радиоактивное излучение ведет к превращению атомов излучающего элемента в атомы другого элемента.

При испускании -частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а масса практически не изменяется (ввиду малости массы -частицы). Следовательно, по мере -распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером, на единицу большим, и с тем же массовым числом. Иначе говоря,

при -распаде элемент смещается в периодической системе на один номер вправо без изменения массового числа.

Символически это смещение записывается так:

Например,

При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число — на 4 единицы. Следовательно,

при -распаде элемент смещается в периодической системе на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре единицы:

Например,

Правила (4) и (5), определяющие смещение радиоактивного элемента в периодической системе, называют законами смещения (сформулированы в 1913 г. немецким физико-химиком Фаянсом и независимо от него английским радиохимиком Содди).

Радиоактивный распад ведет к постепенному уменьшению числа атомов радиоактивного элемента. Он носит случайный характер в том смысле, что нельзя предсказать, когда и какой именно атом распадется. Можно говорить только о вероятности распада каждого атома за определенный промежуток времени.

Число атомов распадающихся за время пропорционально времени и общему числу атомов радиоактивного элемента:

где X — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада данного элемента. Знак минус указывает на уменьшение числа атомов радиоактивного элемента со временем. Из (6) следует, что

т. е. постоянная распада равна относительному уменьшению числа атомов данного элемента в единицу времени.

Интегрируя уравнение (6) в пределах от до получим

где число атомов элемента в начальный момент времени, число атомов этого же элемента, оставшихся по истечении времени Соотношение (7) называется законом радиоактивного распада; графически этот закон представлен на рис. 377.

Для характеристики быстроты распада радиоактивного элемента вводится понятие периода полураспада. Периодом полураспада называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое. Из (7) следует, что

откуда

Рис. 377

Величина обратно пропорциональная постоянной распада, представляет

среднее время жизни радиоактивного атома:

Следовательно,

откуда

т. е. среднее время жизни приблизительно в полтора раза больше периода полураспада.

Значения у различных радиоактивных элементов весьма различны (см. таблицу на стр. 503). Наряду с такими «долгоживущими» элементами, как уран лет), встречаются и такие «короткоживущие» элементы, как, например, полоний

Число атомных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1 с, называется активностью а этого элемента:

Из формул (6), (8) и (9) следует, что

Таким образом, активность элемента пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада.

За единицу активности принята активность радия, получившая название кюри:

Продукт радиоактивного распада химического элемента может сам быть радиоактивным. Поэтому процесс радиоактивного распада обычно проходит через ряд промежуточных стадий, образуя цепочку радиоактивных элементов, заканчивающуюся стабильным элементом. Такая цепочка элементов называется радиоактивным семейством. В настоящее время известны четыре радиоактивных семейства.

1. Семейство урана — радия начинается с урана лет) и заканчивается изотопом свинца

2. Семейство нептуния; начинается с трансуранового элемента нептуния лет) и заканчивается изотопом висмута Следует отметить, что природного нептуния на Земле уже лет, так как он полностью распался; сейчас нептуний получают посредством искусственных ядерных реакций.

3. Семейство актиния; начинается с актиноурана и заканчивается изотопом свинца

4. Семейство начинается с тория и заканчивается изотопом свинца

В таблице приведены все члены радиоактивного семейства урана-радия (дочерние элементы помещены под материнскими) и указав вид радиоактивного распада каждого из членов.

(см. скан)

Пользуясь этой таблицей и законами смещения (4) и (5), нетрудно составить символическую запись всей цепи радиоактивных превращений, происходящих в данном семействе.